人類在地球上鑽過的最深的洞有多深?

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在北極圈內的科拉半島(Kola Peninsula),湖泊、森林、霧靄和積雪,使俄羅斯的這個角落看起來仿若童話中的天地。然而,在這片自然美景中卻有一片廢墟,這是一個廢棄的蘇聯科研站。在這棟破敗的建築中間,有一個厚實的、生鏽的金屬蓋嵌在水泥地上,由一圈同樣鏽跡斑斑、粗大的金屬螺栓所固定。

有人說,這裏是地獄的入口。

這是科拉超深鑽孔(Kola Superdeep Borehole),地球上最深的人造井和最深的人工標誌點。當地人發誓說,這座深達地底40230英尺(12.2公里)的鑽井,可以聽到井底深處傳來地獄的鬼魂慘叫聲。蘇聯人花了將近20年的時間才鑽到這個深度,但在蘇聯解體後的混亂中,這個項目戛然而止,當時的深度離穿過地殼到達地幔只鑽了三分之一左右。

蘇聯人的超深鑽孔並非獨一無二。在冷戰時代,超級大國進行了一場鑽井競賽,都盡可能深鑽入地殼,甚至希望到達地幔。

現在日本人也想試一試。

「地底超深鑽探始於鐵幕時代,」國際大陸科學鑽探項目(International Continental Scientific Drilling Program,德文簡稱KTB)的哈默斯(Uli Harms)表示。年輕的時候,他曾為科拉超深鑽孔的德國競爭對手工作。「我們之間肯定是有競爭的。我們要競爭,其中一個主要動機是,俄國人對他們的數據遮遮掩掩。」

「俄國人開始鑽的時候,聲稱發現了游離水,但大多數科學家根本不相信這一點。過去,西方的科學家普遍認為,地殼下面5公里的地方密度很大,水根本不可能滲透進去。」

日本海洋研究開發機構(Agency for Marine-Earth Science)的項目經理托齊科(Sean Toczko)說:「(新)項目的最終目標是獲得目前存在的地幔實際活體樣本。在像阿曼這樣的地方,你可以找到接近地表的地幔,但那是數百萬年前形成的地幔。」

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Image caption 這個鑽井位於俄羅斯北部科拉半島的荒野中(Credit: Getty Images)

他說:「這相當於活恐龍和恐龍化石的區別。」

如果把地球比作洋葱,那麼地殼就像地球最外面的一層薄皮,只有25英里(40公里)厚。之下就是厚達1800英里(近2900公里)的地幔,再往下,就是地球的中心,也就是地核。

跟太空競賽一樣,探索這個未知的「深度邊疆」的競賽,展示的是工程實力、前沿技術和「正確的東西」。科學家們要去人類從未涉足的地方。這些超深鑽孔所能提供的岩石樣本對科學的重要性,恐怕不亞於美國宇航局(NASA)從月球帶回的任何一樣東西。唯一的不同是,這次競賽的贏家不是美國人。事實上,根本沒有贏家。

在探索深度邊界的競賽中,美國先發制人。20世紀50年代末,美國科學雜項協會(American Miscellaneous Society,這名字妙吧)提出了第一個深鑽進入地幔的認真計劃。這個由嚴肅聚會演變為飲酒作樂派對的非正式學術組織,成員都是美國科學界的領軍人物。他們這個鑽穿地殼達到地幔的項目叫莫霍計劃(Project Mohole)。計劃名字來自將地殼與地幔隔開的莫霍界面(Mohorovičić discontinuity)。

美國的勘探計劃不想在地球鑽一個很深很深的洞,據美國小說家斯坦貝克(John Steinbeck)說,他們決定抄近路,從墨西哥瓜達盧佩(Guadalupe)附近的太平洋海底開始鑽洞。

從海底開鑽的好處是,海底的地殼比較薄;缺點是,地殼最薄的地方通常位於海洋的最深處。

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Image caption 科拉超深鑽孔仍然存在,但入口已被焊死(Credit: Rakot13/CC BY-SA 3.0)

蘇聯於1970年開始在北極圈鑽探。最後一個超深鑽井工程是德國在1990年開始的大陸深層鑽探計劃(German Continental Deep Drilling Program, KTB),於巴伐利亞州啟動,最終達到的深度為5.6英里(9公里)。

跟登月任務一樣,麻煩之處在於,若想取得成功,所需要的技術都得從零開始研發。

1961年,當莫霍計劃開始在海牀上鑽探時,深海石油和天然氣的鑽探還是很久之後的事情。動態定位這個今天的關鍵技術當時尚未發明出來,這是一種可以讓鑽探船穩固保持在鑽井上方位置的技術。工程師們不得不靈機一動。他們在鑽探船的兩側安裝了推進器系統,以便保持它在鑽孔上方的穩定。

德國超深鑽孔工程師面臨的最大挑戰之一,是需要鑽一個盡可能垂直的洞。他們拿出來的解決方案現在已經成了世界石油和天然氣領域的標凖技術。

哈默斯說:「俄國人的經驗清楚地表明,你必須盡可能垂直地鑽孔,否則就會增加鑽孔的轉矩,孔道會變得歪扭。解決方案就是開發垂直鑽井系統。現在這些已經是一個行業標凖,但它們最初是為德國KTB工程開發的,這個技術直到7.5公里(4.7英里)深度之前都很有效。但在最後的1.5~2公里(0.9~1.25英里),鑽洞偏離了垂直線近200米。

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Image caption 德國人在1990年開始了他們自己的超深鑽孔工程(Credit: Jochem Kueck)

他補充道:「到了上世紀80年代末或90年代初,俄羅斯變得開放,願意與西方展開合作,我們試圖利用俄羅斯的一些技術,不幸的是,無法及時獲得他們的設備。」

然而,所有這些地底探險都以不同程度的挫敗而告終。有錯誤的開始和阻塞。然後是機器在深入地下後遭遇的高溫,還有成本和政治因素。所有這些都讓科學家們想要深鑽地球,並且打破最深的鑽井記錄的夢想付之東流。

在阿姆斯特朗(Neil Armstrong)登上月球的兩年前,當莫霍計劃的成本開始失控時,美國國會取消了對這項計劃的資助。以今天的貨幣計算,莫霍開採出的數米長的玄武岩,大約花費了4000萬美元(3100萬英鎊)。

然後就該輪到科拉超深鑽孔工程的結束了。1992年,當鑽點的溫度達到180攝氏度(356華氏度)時,鑽探工作停了下來。那是當初預期溫度的兩倍,再往深處鑽已不可能。蘇聯解體後,已無錢來資助這樣的工程。三年後,整個設施被關閉。現在,這個荒涼的廢墟成了冒險客的目的地。

德國超深鑽孔工程倖免於難。巨大的鑽機仍然高聳在原處,今天還成了旅遊景點。但在今天,仍在操作的起重機只是把測量儀器放下井洞作勘察之用。這個地點實際上已經成為一個地球觀察站,甚至是一個藝廊。

荷蘭藝術家吉文(Lotte Geevan)把由隔熱罩保護的麥克風放進德國鑽孔的深處,麥克風接收到了科學家無法解釋的低沉的隆隆聲,這種聲音讓她「覺得自己非常渺小」。 她說:「這是我生命中第一次感到這個我們賴以生存的巨大球體有了生命。其聲音聽起來讓人難以忘懷。有些人認為這像是地獄之聲,但有些人認為他們聽到的是地球的呼吸。」

哈默斯說:「當時的計劃是要比蘇聯鑽得深,但我們當時甚至還沒有達到我們預期的10公里(6.25英里)階段。而且我們鑽探的地方比俄國人的氣候要熱得多。很明顯,我們要想鑽更深將會困難得多。」

「當時是上世紀90年代初,德國沒有充分的理由籌集更多的資金來資助這個工程,德國為了統一已花了很多錢。」

人們難免會想到,抵達地球地幔的競爭就像是法國科幻作家凡爾納名作《地心遊記》(Journey to the Centre of the Earth)的新版本。雖然科學家們並不期望找到一個裏面全是恐龍的隱藏洞穴,但他們確實將自己的計劃描述為「探險」。

哈默斯說:「我們認為這是一次探險,因為在凖備和執行過程中確實花了一些時間,因為你真的要進入無人地帶,以前從來沒有人去過那裏,即或這在今天也很不尋常。」

「你總會在下面發現一些真正讓你吃驚的東西,尤其是深入地殼深處的時候。」

「如果我們說起KTB或科拉超深鑽孔工程,計劃背後的理論在鑽探開始時已經有三、四十年的歷史了。」

英國南安普頓大學(University of Southampton)南安普頓國家海洋學中心海洋與地球科學學院地球化學教授蒂格爾(Damon Teagle)說:「這些任務的意義就像人類探索行星一樣,是純粹的科學事業,你永遠不知道自己會發現什麼。」

「在1256號洞[由深海鑽探項目(Deep Sea Drilling Project ,簡稱DSDP)和海洋鑽探項目(Ocean Drilling Program, ODP)鑽探的一個洞],我們第一次看到了完整的海洋地殼。以前沒人能做到這一點。真的很令人興奮。總會有驚喜。」

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Image caption 自上世紀90年代初以來,科拉超深鑽孔工作一直處於廢棄狀態(Credit: Rakot13/CC BY-SA 3.0)

今天,日本的「從莫霍界面到地幔計劃」(M2M-MoHole to Mantle)是國際海洋發現計劃(International Ocean Discovery)最重要的項目之一。與當初的莫霍計劃一樣,科學家們計劃在地殼只有6公里(3.75英里)深的海牀上進行鑽探。耗資10億美元(7.75億英鎊)的超深鑽孔計劃的目標,是在人類歷史上首次找到原位地幔岩石。

參與該項目的蒂格爾表示:「這將是一項了不起的任務,需要日本做出巨大的投入。」

儘管這個項目很重要,巨大的鑽井船地球號(Chikyū)是幾乎20年前為這個項目建造的。地球號使用GPS系統和六個計算機控制的可調噴射器,可用50厘米(20英寸)這麼小的幅度調整這艘巨船的位置。

日本海洋研究開發機構的項目經理托齊科說:「我們的想法是,這艘船將接續上50年前的莫霍項目開創的工作。」在獲取我們厚厚的大陸地殼資料的方面,莫霍超深鑽孔計劃已經取得了很多進展。我們要做的是了解更多關於地殼和地幔之間邊界的信息。

「現主要的爭議在於有三大候選地點。一個在哥斯達黎加,一個在巴哈,還有一個在夏威夷附近。」

托齊科補充道,計劃都需要在海洋的深度、與鑽井地點的距離,以及是否需要在海岸建立一個基地以便為耗資數十億美元、一天24小時的海上作業提供支持這些問題,在三個候選地點之間做出妥協。「基礎設施可以建,但需要時間和金錢。」

哈默斯說:「說到底,這確實是一個成本問題。這些探險非常昂貴,因此無法再來一次。其成本可能高達數億歐元,其中只有一小部分用於地球科學,其餘部分將用於技術開發,當然還有運營。」

他說:「我們需要善於鼓動人心的政客們來宣揚這些探險的價值。」

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